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淺談鋼結構的防火性能及鋼結構防火措施

日期:2018-04-03 08:31:10   人氣:  

鋼結構由于其強度高,塑性韌性好、質量輕和施工速度快等優點在我國得到了廣泛的應用。近百年來得到了快速的發展,尤其是在上世紀下半葉,隨著世界鋼產量大幅度增加,鋼結構也相應更加擴展了應用領域,特別是在大跨度、高聳、超高層、重型、動力荷載結構范圍內鋼結構大量的被使用。然而鋼結構卻有一個不容忽視的問題:鋼結構的抗火性能。火災對鋼結構的威脅遠遠大于鋼筋混凝土結構,鋼結構在火災中被燒塌破壞的事故國內外屢見不鮮。

鋼結構火災下破壞機理

鋼材對溫度相當敏感,但溫度升高與降低都使鋼材性能發生變化。相比之下,低溫性能更重要。下圖為鋼材的機械性能與溫度間的關系曲線。

高溫屈服強度與室溫屈服強度之比

總的趨勢是隨著溫度的升高,鋼材強度降低,變形增大。約在200℃以內鋼材性能沒有很大變化,430-540℃之間則強度急劇下降;到600℃時強度很低不能承擔荷載。此外,250℃附近有蘭脆現象,約260-320℃時有徐變現象。蘭脆現象指溫度在250℃左右的區間內, 有局部性提高, 也有回升現象,同時塑性有所降低,材料有轉脆傾向。在蘭脆區進行熱加工,可能引起裂紋。徐變現象指在應力持續不變的情況下鋼材以很緩慢的速度繼續變形的現象。結合200℃以內材性無大變化的性能看,結構表面所受輻射溫度應不超過這一溫度。設計時以規定150℃為適宜,超過之后結構表面即需加設隔熱保護層。鋼材在高溫下強度降低,尤其是600℃以后幾乎喪失承載能力,使其耐火性能很低。為了滿足建筑物防火要求,需要用耐火材料加以防護,從而提高了鋼結構的造價。目前國內外都已開發出具有一定耐火性能的鋼材。

鋼結構防火設計及相關措施

防火設計的依據是火災危險性類別, 從而確定建筑耐火等級及其它防火、防爆措施。火災危險性主要是根據生產中使用或產生的物質性質及其數量等因素進行來考慮。《建筑設計防火規范》第3.1.2條中規定構件的燃燒性能和耐火極限按高低順序共分為甲、乙、丙、丁、戊5類。火災危險主要考慮以下幾個方面:①生產中使用的全部原材料的性質;②生產中操作條件的變化是否會改變物質的性質;③生產中產生的全部中間產物的性質;④生產中最終產品及副產物的性質;⑤生產的火災危險性分類按其中最危險的物質確定。

有效的防火分區是建筑必須采取的保護措施之一。防火分區可以在廠房內部防止火勢向其他區域蔓延、擴散, 有效地控制火災的范圍。不過對于現代鋼結構廠房的大跨度、大空間及其所需要的生產工藝流程來說, 防火分區的設置具有一定難度。常用的分區方法有以下幾種:①防火墻。在生產工藝流程和生產管理中沒有特殊要求的情況下, 采取防火墻是簡單、有效并且造價低廉的一種方法。②防火門。防火卷簾, 可用于小跨度分區中。③自動噴水滅火系統。在只需分兩個分區及廠房高度不超過8 m 的情況下, 可設置自動噴水滅火系統, 使允許的防火分區面積增加一倍, 以達到規范要求。④獨立水幕。這是一個較好的分區方法, 不存在跨度問題, 水幕噴頭防火水幕帶宜采用噴霧型噴頭, 也可采用雨淋式水幕噴頭, 噴頭的排列不應少于3 排, 防火水幕帶形成的水幕寬度不宜小于5 m,流量2 L/( s- m) 。但存在維護保養困難的問題, 為防止誤操作, 應采取人工、自動兩種啟動方式。⑤防火帶。由于生產工藝流程和生產管理需要而無法設防火墻時, 可設防火帶進行防火分區。即在有可燃構件的廠房中劃出一段區域, 這個區域內的構件全部采用不燃性材料, 并采取措施防止煙火在分區間流竄, 也可起到防火分隔的作用。

除上述的防火分區外,防止鋼結構在火災中迅速升溫發生變形塌落的幾種鋼結構防火措施如下:1 涂刷防火涂料法、2 發泡防火漆法、3 外包保護層法、4 水冷卻法、5 徹底屏蔽法。上述的五種方法被稱為主動防火措施。其中涂刷防火涂料是設計首選的一種方法。涂刷在鋼結構表面防火涂料,能形成耐火隔熱保護層,以提高鋼結構耐火極限。而防火漆是由成膜劑、阻燃劑、發泡劑等多種材料制造而成的一種阻燃涂料。一般油漆相比,在物理性能方面基本一樣,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃燒,遇火時,能推遲火焰延燒到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。水冷卻法是在空心鋼構件內充水,采用循環水進行冷卻是抵御火災最有效的方法之一。當溫度上升時,空心鋼構件內的水可帶走大量的熱,受熱的水經冷卻降溫循環使用或經外部引入冷水引出熱水,從而使鋼構件在火災時保持較低溫度。這種技術在國外被廣泛地使用在鋼柱的防護中。徹底屏蔽法是用耐火材料組成的構件將鋼結構徹底屏蔽,是最經濟的保護方法。

結論

1、火災下為滿足結構耐火極限要求, 一般需對鋼構件進行防火保護。目前的主要防火措施為包覆防火涂料或防火板。由于鋼材導熱性好, 采取防火保護的鋼構件的內部溫度可假定為均勻分布, 再由火災環境傳入鋼構件的熱量應等于鋼構件升溫所吸收的熱量, 可建立火災條件下鋼構件升溫微分方程。

2、防火涂料是鋼結構防火保護的最佳選材,但其會隨著保護時間增長,而使其綜合性能下降,從而降低其保護鋼結構構件防火的能力。

3、火災探測報警技術。火災探測報警系統包括探測器和報警控制器兩大基本部分。根據所探測的火災參數的不同,火災探測器劃分為感溫、感煙和感光(火焰)、氣體和復合式等型式。

4、煙氣控制技術。建筑物發生火災后,有效的煙氣控制是保護人們生命財產安全、減少進一步損失的重要手段。控制煙氣一般有兩種方式:擋煙和排煙。很多大規模的建筑,其煙氣控制往往是幾種方法的有機結合。排煙形式的合理與否,不僅關系到煙氣控制的效果,還有很大的經濟意義。


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